Теоретическое, гуманитарное и практическое значение общей биологии.

Лекция 1.

Теоретическое, гуманитарное и практическое значение общей биологии.

1. Предмет и задачи биологии.

2. Значение общей биологии.

3. Методологические принципы, подходы к изучению объектов, явлений, их связей.

4. Основные концепции современной биологии.

    

 

Предмет и задачи биологии.

 

Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. Bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая

область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения (орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук – по уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная биология и биохимия (химические основы жизни), генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология, биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и физиология (строение и принципы функционирования организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория эволюции (историческое развитие живой природы).

Живой мир очень многообразен. Существует около 2 млн видов животных, около 500 тыс. видов растений, сотни тысяч грибов, тысячи видов и еще больше штаммов (разновидностей) бактерий. Многие виды еще не описаны. Структурная сложность, типы питания, жизненные циклы, исторический возраст этих групп организмов очень сильно различаются (сравните хотя бы организацию и образ жизни человека и его домашних спутников - таракана, комнатного растения, микробов и вирусов). Но все организмы должны иметь нечто общее, что отличало бы их от неживой природы. Это - обмен веществ и энергии, способность к размножению и развитию, изменчивость и адаптивная эволюция. Выявлением и характеристикой этих общих свойств живых организмов и их системных комплексов с неживой природой занимается так называемая общая биология. По сути перед общей биологией стоит задача познать сущность жизни, ответить на вопрос - что есть жизнь. Для чего это нужно?

    

Значение общей биологии.

 

 Теоретическое и гуманитарное значение общей биологии состоит прежде всего в формировании материалистического мировоззрения.

Основной вопрос философии - о соотношении материи (бытия) и сознания - по сути вопрос биологический. От выбора позиции (что первично - материя или сознание) складывается либо материалистическое, либо идеалистическое понимание природы и общества, формируются принципиально разные подходы в пользовании объектами природы, в оценке социальных явлений, в выработке политических стратегий. К сожалению, многие политики и даже философы с необыкновенной легкостью отдают свои предпочтения различным (часто просто модным) идеалистическим построениям, порой даже не задаваясь вопросом о том, что такое материя. Развитие реальной демократии и свободы совести в нашей стране породили волну совершенно неосмысленного обращения людей к мистике, астрологии и прочим маргинальным проявлениям культуры. В то время как огромный массив накопленных реальных научных знаний остается для большинства населения неизвестным и невостребованным. Задачи средней школы в этом плане выполняются с низкой эффективностью. Поэтому общее естественнонаучное просвещение студентов различных специальностей стало актуальной задачей современного образования именно в плане становления научного мировоззрения.

Другая задача биологии состоит в формировании у современного человека экологического мышления, суть которого заключается в осознании себя частью природы и понимании необходимости охранять и рационально использовать природные ресурсы. Актуальность задачи несомненна, если учесть, что по некоторым прогнозам нынешние темпы и технологии промышленного освоения Земли уже через 50-100 лет приведут к необратимым изменениям среды обитания человечества. Это означало бы постепенное вымирание человека и большинства других объектов живой природы как биологических видов (что случилось, например, с динозаврами) и, в лучшем случае, замещение современных экологических сообществ новыми, более приспособленными к измененной среде обитания. Таким образом, понимание основ биологии и экологии необходимо каждому человеку и в особенности его технократической, гуманитарной и политической элите с целью сохранения и устойчивого развития биосферы Земли.

Практическое значение биологии состоит в том, что она является научной основой всех технологий производства продовольствия.

Возможности экстенсивного воспроизводства продуктов питания на Земле практически исчерпаны. Целинные земли России и Казахстана, освоенные в 50-е и 60-е годы нашего столетия, явились чуть ли не последними резервами пахотных земель. Огромные площади ежегодно выводятся из сельскохозяйственного использования в результате их засоления, опустынивания, превращения в дно искусственных водоемов при строительстве гидроэлектростанций. По этим причинам современное сельское хозяйство обречено развиваться на основе интенсивных технологий. Простое возделывание овощей или пшеницы, выращивание скота, птицы и т.п. требует знания условий и динамики их размножения и роста, особенностей минерального и органического питания, совместимости с другими культурами,

отношения к сорнякам, паразитам, бактериям и вирусам, которыми буквально кишит наша общая среда обитания. Особое значение в 20 веке приобрели методы генетических модификаций и селекции объектов сельскохозяйственного производства. Выведение новых пород животных и сортов растений, приспособленных к конкретным местным условиям - давняя практика. Но современная селекция не может базироваться на основе проб и ошибок, она использует точные, математизированные законы генетики. В процветающих фермерских хозяйствах США и других развитых стран селекционно-генетическая работа столь же обычна и обязательна, как и ежедневная уборка коровника или прополка грядок. Генетик здесь одна из самых востребованных профессий. В последние годы быстрыми темпами развиваются и новые биотехнологии, основанные на генной и клеточной инженерии, клонировании, получении трансгенных (с пересаженными генами), или генетически модифицированных (GM), организмов. Освоенные вначале на бактериях, эти методы уже используются для получения химерных животных и растений с заранее спланированными свойствами. И хотя GM-технологии в растениеводстве и животноводстве встречают у потребителей настороженный прием, по сути речь идет о биотехнологической революции, о формировании новой культуры и практики природопользования. И все эти вопросы находятся в поле исследования современной биологии.

Совершенно особое гуманитарно-практическое значение имеет биология как теоретическая основа медицины. Причины и механизмы большинства патологий (болезней) кроются в нарушениях работы генов и их продуктов -

клеточных белков. Понять эти причины и механизмы - значит наполовину решить и проблему их устранения или лечения больного человека. Взаимодействие клеток с вирусами, сожительство с бактериями, формирование иммунитета к новым и новым антигенам, возникновение неконтролируемого ракового роста клеток, молекулярная природа памяти, развитие наркозависимости, причины старения... - это огромный и нескончаемый перечень проблем, решаемых сегодня медико-биологической наукой.

Отдельной главой стоит производство современных лекарств, в котором химики-фармацевты все более уступают место молекулярно-клеточным биологам.

Геннно-клеточные инженерные технологии способны дать экологически и генетически чистые лекарства, а пересаженные гены могут вообще устранить хроническую болезнь, например, сахарный диабет.

В последние годы впрямую встала и проблема искусственного производства человека. Искусственное оплодотворение (при необходимости преодолеть мужское бесплодие) - давно и успешно решаемая задача. Но появилась принципиально новая технология зачатия и размножения путем клонирования потомства вообще без мужских половых клеток. Пока это сделано на животных (в Японии с 1990 г. выводят клонированных коров, в Великобритании получена знаменитая овечка по кличке Долли), но и в отношении человека методических препятствий для клонирования уже нет. Зато возникает масса чисто гуманитарных, этических и даже юридических проблем, решать которые можно имея хотя бы общее понимание биологического существа дела.

    

Лекция 2.

Системная организация

 

В первой половине 20 века была создана общая теория систем. Основным ее автором является австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи (1901-1972; основные труды - 1931-1968).

Согласно общей теории систем все объекты природы и общества являются системами. Системы бывают космические, физические, технические, биологические, социальные, экономические и др. Все многообразие природных объектов принято делить на микромир - атомы и их элементарные частицы, макромир - от молекул до материков и океанов и мегамир - космические объекты и их системные объединения. Живые системы относятся к макромиру. Что же такое система?

Система - это совокупность элементов, связанных определенными  отношениями и взаимодействующих по определенным законам композиции.  Вся совокупность структурных и функциональных отношений и взаимодействий составляет организацию системы. Организация системы как правило иерархична, то есть имеет несколько соподчиненных уровней. Живые объекты - типичные системы, имеющие структурную и функциональную упорядоченность, то есть определенную организацию и иерархию.

В категориях философии понятия «элемент» и «система» соотносятся как часть и целое. Общефилософский закон определяет, что целое больше суммы его частей. Это означает, что совокупность и взаимодействие частей (элементов) создает у целого (системы) некоторые новые качества, отсутствующие у исходных частей (элементов). Такие новые качества, свойства

определяются как эмерджентные свойства системы (в буквальном смысле -вновь появляющиеся, непредвиденные свойства). В случае с биологическими системами эти новые качества представляют собой разные проявления жизни. И как мы увидим далее, сама жизнь - это эмерджентное, качественно новое свойство, появляющееся на определенном уровне системной организации.

Теоретически системы могут быть открытыми или закрытыми - в зависимости от того, открыты или закрыты они для обмена с внешней средой веществом, энергией и информацией. Современное естествознание не находит абсолютно закрытых систем, хотя степень открытости безусловно варьирует. Таким образом, системный подход предполагает единство открытой системы с окружающей средой через посредство полупроницаемой пограничной поверхности (рис.1). Понятие «пограничной поверхности» очень условно, так как может выражать совершенно различную по природе форму изоляции. Например, оболочка клетки или обшивка корабля выполнены из смеси или сплава химических веществ (белково-липидная пленка, стальные листы), птичья стая или студенческая группа объединены неуловимыми отношениями взаимопомощи или письменным распоряжением декана, солнечная система никаких оболочек не имеет, но удерживает свои границы за счет гравитационного поля.

 

Как уже отмечено, биологические системы отвечают всем общесистемным характеристикам - структурным, функциональным, топологическим и др. Они, как правило, хорошо структурированы, функционально специализированы, географически или экологически изолированы и представляют сложные многоуровневые иерархии.

    

Онтогенетический уровень

 

Онтогенез - это индивидуальное развитие организма, начиная от одной клетки (зиготы, образующейся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида) до взрослого многоклеточного существа со множеством специализированных тканей и органов. Необходимость объединения этих подуровней в один онтогенетический уровень вызвана двумя причинами. Во-первых, зигота - по сути обычная клетка - уже представляет организм, хотя и на одноклеточной стадии развития. Во-вторых, в природе существуют не только многоклеточные, но и одноклеточные организмы как животного, так и растительного свойства - амеба, инфузория, эвглена, хлорелла и др. Бактерии - особо мелкие и безъядерные (прокариотные) клетки – тоже самостоятельные организмы, хотя живут обычно колониями. Так что понятия «клетка» и «организм» в определенных случаях совпадают.

Из сказанного следует очень важный вывод: клетка является наименьшей, то есть элементарной живой системой, так как ей присущи все свойства живого организма, свойства жизни как явления. Клетка, как и многоклеточный организм способна питаться, поглощать энергию, синтезировать вещества, двигаться, реагировать на раздражители, размножаться, приспосабливаться и д.т. Этому способствует достаточно высокая степень структурной дискретности - внутреннее расчленение клетки на органоиды, изолированные отсеки - особенно выраженная у высших, эукариотных клеток (рис. 3).

Рис. 3. Схема организации про- и эукариотной клеток.

 

 

Существует нерешенная проблема клеточного уровня (подуровня), связанная с наличием в природе двух типов клеточной организации - прокариот и эукариот.

Прокариоты (доядерные) - это мелкие (около 1 мкм) клетки, не имеющие ядра и других органоидов, типичных для эукариот. Наследственное вещество - ДНК - лежит свободно в цитоплазме, а прочие функциональные блоки тоже представлены небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К

прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли.

Эукариоты (с настоящим ядром) - крупные (10-50 и более мкм) клетки, в

которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах. Изолирующую роль для ядра и органоидов выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности. Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амеба, инфузория и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека. Суть проблемы не в размерных и даже не в структурных различиях двух типов клеток, а в том, что некоторые органоиды эукариотных клеток, такие как митохондрии и хлоропласты, похожи на прокариот - бактерий и сине-зеленых водорослей. Они имеют собственную ДНК, аппарат синтеза белка (рибосомы), систему энергообеспечения и, таким образом, мало зависят от других структур клетки, в частности от ядерной ДНК. На этом основании разработана симбиотическая гипотеза о происхождении эукариотной клетки на основе симбиоза (взаимовыгодного объединения) некогда самостоятельных прокариотных клеток. В таком случае про- и эукариотные клетки не только по уровню сложности, но и по происхождению должны представлять разные - низший и высший - подуровни клеточного уровня организации. Этот пример показывает, что приведенная и общепринятая система уровней организации жизни не отражает всей сложности отношений между уровнями и подуровнями. Да и число подуровней можно увеличить, поскольку иерархическая сложность систем на самом деле значительно богаче.

Ткани и органы представляют основные промежуточные подуровни между клеткой и организмом. Естественно, что эти подуровни можно выделить только у многоклеточных животных, растений, грибов.

Например, у человека различают эпителиальную (покровную) ткань, мышечную, нервную и соединительную (рыхлую, плотную, хрящевую, костную, кровь и лимфу).

Ткани состоят из клеток и межклеточного связующего вещества. Органы состоят из разных тканей. Так, сердце кроме основной мышечной ткани включает рыхлую соединительную, кровь, нервные элементы и эпителиальные оболочки. Головной мозг наряду с нервными клетками содержит питающие их кровеносные сосуды, желудочки, выстланные специальным эпителием. Многие органы объединены в системы органов (пищеварительную, кровеносную и др.).

Наконец, многоклеточный организм, как и отдельная клетка, представляет законченный и устойчивый уровень биологической организации.

Организм, или особь, способен к самостоятельному существованию, размножению и развитию.

    

Биогеоценотический уровень

 

На этом уровне рассматриваются экологические системы: сообщество, биогеоценоз, биосфера.

Сообщество - совокупность популяций разных видов на определенной территории. Обычно специалисты (ботаники, зоологи, микробиологи) выделяют в сообщества объекты определенной категории: растительное сообщество - фитоценоз, сообщество животных - зооценоз, микроорганизмов - микробоценоз. Тогда совокупность всех совместно обитающих сообществ разных видов, представленных на ареале отдельными популяциями, образует высшее сообщество - биоценоз. Популяции разных видов в сообществе или биоценозе тесно взаимодействуют на основе разделения пищи и ярусов, взаимного использования продуктов обмена, отношений хищник-жертва, паразит-хозяин и т. д.

Любое живое сообщество, весь биоценоз способны существовать в определенных условиях внешней среды. Для наземных сообществ это - почва определенного типа, температура, влажность, освещенность; для водных - минеральный состав, соленость и аэрация воды, те же температура и освещенность, глубина, течения и др. Совокупность этих неживых (абиотических) факторов среды обитания сообществ обозначается как биотоп (дословно - место жизни).

Важнейшее обобщение современной экологии состоит в том, что неживая среда и населяющий ее биоценоз обмениваются веществом и энергией, находятся в тесном взаимодействии, поэтому биотоп и биоценоз складываются в единую систему -  биогеоценоз. Биогеоценозы - это естественные (природные) экосистемы: лесные, степные, болотные, озерные, речные, морские и др. Но человек создает и искусственные экосистемы - в частности, агроценозы (сельскохозяйственные плантации, птицефабрики, животноводческие фермы и т.п.), аквариумы и рыборазводные пруды, очистные сооружения со специально подобранными сообществами микробов, водорослей, моллюсков-фильтраторов, наконец, космические станции с уникальным внутренним климатом и биологическим равновесием.

Высшим экосистемным объединением на Земле является биосфера -  земная оболочка, населенная живыми существами. Основоположником учения о биосфере Земли является выдающийся российский натуралист и философ Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). Основная мысль этого учения и созданной Вернадским науки биогеохимии состоит в том, что живой и неживой мир нашей планеты един, организмы и компоненты среды связаны обменом (круговоротом) веществ и энергии. Вершиной творческого наследия Вернадского является его представление о ноосфере - биосфере, обогащенной разумом человека. Разумная деятельность людей активно преобразует состав биосферы и становится все более важным фактором ее необратимой эволюции. Только к концу 20 века человечество начало понимать эту простую истину и задумалось над тем, как сохранить существующее равновесие.

Существуют ли живые системы более высоких уровней организации, чем биосфера Земли? Другими словами - существует ли жизнь вне Земли, в каких-нибудь дальних или ближних космических системах? И совсем тривиально - есть ли жизнь на Марсе? Наука пока не знает ответа на эти вопросы. Ученые предполагают, что по крайней мере на Марсе - ближайшей к нам планете - есть условия если не для жизни, то для переживания простых организмов типа бактерий в состоянии спор.

При похожих условиях в ледяных толщах Антарктиды обнаружены микроорганизмы.

Но Антарктида когда-то была ближе к экватору Земли, в составе единого материка Гондваны, и жизнь сохранилась здесь от давних времен. Существует ли жизнь на Марсе - должны показать ближайшие исследования этой планеты, в частности, планируемая на начало нового века экспедиция американских астронавтов.

    

Заключение по теме

 

Все объекты природы являются системами. Живые системы имеют разную степень сложности - от молекул до биосферы - и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам -появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи. Наиболее устойчивыми живыми системами являются клетка, организм, биогеоценоз.

Что же это за новое качество - жизнь? В чем ее сущность, отличие от «нежизни»? Этот принципиальный общенаучный вопрос мы рассмотрим в следующей теме.

    

 

Лекция 3.

Опора и движение

 

Опорно-двигательная функция - одна из важных в обеспечении жизнедеятельности клеток и всего организма. Движутся органоиды внутри клетки, сами клетки в воде или по твердой поверхности, организмы в их среде обитания. Движение невозможно без опоры, поэтому и в клетке и в организме формируются комплексные  опорно-двигательные структуры. Например, у человека мышцы связаны со скелетом, и только в такой комбинации работа мышц становится эффективной. У позвоночных животных и человека опорные соединительные ткани имеют в межклеточной основе специальный волокнистый белок коллаген (при вываривании костей, сухожилий или связок он набухает и дает клей, отсюда и название белка - клей дающий). В костях межклеточная коллагеновая основа для большей твердости минерализована солями кальция. Имеются опорные белковые микронити и микротрубочки и в самих клетках, они придают клеткам определенную форму, поддерживают отростки (например, в нервных волокнах).

В клетках мышечной ткани имеются специальные сократительные нити -миофибриллы, которые обеспечивают сокращение клеток и всей мышцы. Каждая миофибрилла сложена из молекул белков двух основных видов - актина и миозина (рисунок). Актин образует прочные микронити, по которым буквально шагают ножки миозина. Каждый шаг - это изменение третичной структуры молекулы миозина, его обратимая денатурация под действием энергии АТФ. Когда одна ножка, зацепившись за микронить, изгибается, другая ножка распрямляется и цепляется за новое место на микронити. Потом они меняются ролями - первая ножка отцепляется от микронити и распрямляется, а вторая изгибается и подтягивает нить. Каждый шаг требует энергии АТФ. Таким образом, при наличии АТФ ножки быстро бегут вдоль микронити, а точнее - тянут нить к себе, так как обращенные в разные стороны пучки миозина скреплены хвостиками, и ножки разных пучков тянут свои микронити в противоположных направлениях (см. рисунок).

 

Главное, что следует вынести из описания мышечной функции, это понимание  простой физико-химической сущности движения, которая сводится к изменению объемной формы молекулы белка миозина. Эта форма, или третичная структура, в свою очередь зависит от силы химических связей внутри молекулы.

При энергетическом разряде от распада молекулы АТФ сила связей резко, но кратковременно изменяется - молекула «вздрагивает» (сгибается и тут же разгибается), совершая работу. Суть реакции миозина настолько проста, что воспроизводится in vitro («в стекле», в пробирке, то есть в искусственных условиях) на чистых белках, выделенных из клеток, или даже на мертвых клетках при добавлении АТФ. Добавим, что аналогичный механизм движения, но с другими белками, известен для ресничек и жгутиков, которыми снабжены многие одноклеточные организмы (например, инфузория), сперматозоиды, некоторые покровные (эпителиальные) ткани. Итак, движение - важное проявление жизни - имеет вполне материальную сущность.

    

Транспорт веществ

 

Перенос веществ между организмом и средой - необходимый этап в процессах обмена веществ. Это - поглощение пищевых материалов и вынос отходов, поглощение кислорода и удаление углекислого газа, перенос неорганических ионов, воды и других веществ. Способы и механизмы поглощения и выделения веществ различаются у организмов разного уровня сложности - у одноклеточных и многоклеточных, животных и растений. На высших уровнях организации – у многоклеточных животных - в эти процессы включаются мышечные и ресничные механизмы: преследование и захват добычи, глотание и перистальтика по кишечнику у позвоночных, нагнетание водных потоков и фильтрация планктона у сидячих беспозвоночных - например, у двустворчатых моллюсков мидии, гребешка. У высших растений для транспорта воды и солей от корней к стеблю и листьям большое значение имеет осмотическая диффузия - движение растворов по градиенту концентрации, то есть из среды с высокой концентрацией вещества в среду с низкой концентрацией. Этот транспорт имеет простую физико-химическую основу и не требует энергетических затрат. Движение синтезированных веществ (сахаров) в обратную сторону, напротив, требует энергии.

Переносу малых молекул часто способствует их связывание с более крупными молекулами-переносчиками. Типичный пример - перенос кислорода из атмосферного воздуха, вдыхаемого через легкие, в кровь и далее во все клетки организма (для окисления пищевых субстратов и извлечения энергии). В этом случае кислород из полости легких под осмотическим давлением поступает в кровеносные капилляры, далее в специальные клетки - эритроциты  (красные кровяные тельца), где химически связывается с особым белком  гемоглобином. Принцип связывания кислорода с гемоглобином очень прост. В составе этого белка имеются атомы железа, которые и окисляются кислородом - железо временно превращается в окисел (как обычное железо на воздухе превращается в ржавчину). Однако связь железа с кислородом непрочная, так что по мере углубления эритроцитов в ткани организма, где собственная концентрация кислорода ниже, гемоглобин отдает связанный с ним кислород, который теперь диффундирует в клетки, а далее в митохондрии. Решающее значение в транспорте кислорода имеет конфигурация (третичная структура) молекулы гемоглобина, от которой зависит окислительно-восстановительная способность связанного железа. При заболевании, которое называется серповидно-клеточной анемией (эритроциты имеют нетипичную форму серпа), замена всего одной аминокислоты в составе гемоглобина так изменяет его форму, что делает железо не эффективным в отношении кислорода. Дыхание нарушается.

Критическим моментом в транспорте веществ между организмом и средой - будь то одно- или многоклеточный, животный или растительный организм - является  преодоление клеточных оболочек. Оболочка клетки включает липидно-белковую мембрану (плазмалемму) и углеводную стенку.

Клеточная стенка, даже очень толстая, как у растительных клеток, не представляет серьезного препятствия для воды и растворенных в ней веществ, но плазмалемм имеет настоящие барьерные свойства, так как ее основу составляют два слоя липидов (жиров), практически не проницаемых для водных растворов. Через билипидный слой легко проникают лишь газы (мелкие электрически нейтральные молекулы) и жирорастворимые вещества (спирты, ацетон и др.). Но клетке нужны прежде всего питательные органические и минеральные вещества. Для переноса заряженных частиц - ионов, а также небольших органических молекул - аминокислот, сахаров и т.п. в липидной мембране вставлены многочисленные белковые поры. Мембрана представляет как бы белковую мозаику по липидному фону. Белки мембранных пор, как и большинство других белков, взаимодействуют с водой, так что пора представляет фактически водный канал. Однако благодаря белковой компоненте каждый такой канал имеет  избирательную проницаемость - для ионов K+, Na+, Ca2+, Cl- и др. Вместе с ионами в клетку проникают и связанные с ними органические молекулы - сахара и аминокислоты, так осуществляется питание клеток.

Рассмотренный случай представляет пассивный транспорт веществ, он не требует затрат энергии. Совершенно особый тип каналов представляют ионные насосы, способные перекачивать ионы против градиента их концентрации. Как следует из самого термина, насосы могут работать только с затратой энергии, и такой способ перемещения веществ называют активным транспортом.

Белковая пора насоса способна расщеплять молекулу АТФ и за счет извлеченной энергии проталкивать ионы против их диффузионной силы. Созданный таким образом наружный избыток ионов возвращается обратно пассивным путем, но несет с собой нужные органические вещества. Так сочетание активного и пассивного транспорта обеспечивает питание клеток. Избыток ионов натрия снаружи клетки используется также для возбуждения электрического тока и проведения нервного возбуждения.

Даже поверхностное рассмотрение механизмов мембранного транспорта веществ показывает, что, как и в случае мышечного сокращения, работа по активному транспорту сводится к обратимой конформационной перестройке молекул белковых пор с преобразованием энергии АТФ. Направленный в обратную сторону пассивный транспорт ионов и питательных веществ представляет простую диффузию, но является следствием предшествующего активного транспорта. Все эти процессы подчиняются в основе известным физико-химическим закономерностям.

 

Защитные реакции. Иммунитет

 

Живые системы - организмы, клетки, клеточные органоиды - должны сохранять биологическую (биохимическую) индивидуальность. Присоединение к ним чужеродных молекул, контакт с вирусами, бактериями, другими паразитами приводит к искажению соответствующих структур и их функций, например, ферментов или клеточных мембран, не говоря уже о прямом токсическом вреде в случае попадания паразитов в организм, в его клетки. Совокупность чужеродных агентов, противоположных своей генетической сущностью данному организму (чужие или искаженные молекулы, вирусы, бактерии, клетки) называют антигенами.

В виду чрезвычайной важности поддержания биологической индивидуальности, в эволюции организмов возникает и постепенно совершенствуется система реагирования и защиты от антигенов - иммунитет. Частное проявление иммунитета - невосприимчивость к инфекционным заболеваниям. Изучением защитных реакций организма, направленных на сохранение его структурной и функциональной целостности и биологической индивидуальности, занимается наука иммунология.

Иммунные отношения организма с его антигенами и соответствующие защитные механизмы очень сложны, но хотя бы общее представление о них должен иметь каждый культурный человек. Уже у растений имеются такие защитные факторы, как неспецифические фитонциды - летучие вещества, убивающие бактерий (их много, например, в чесноке и луке), восковый налет на покровных тканях, замуровывание фитопатогенов в клеточных стенках, накопление токсических продуктов в погибших клетках и другие. У животных обособляются специальные клетки - фагоциты, способные пожирать «пришельцев», и другие более специализированные клетки. Причем уровень сложности иммунной системы возрастает в эволюции от простых - беспозвоночных к более организованным позвоночным животным, и наиболее развиты защитные механизмы у млекопитающих, в том числе у человека.

Наш организм прежде всего проявляет различные формы врожденного неспецифического иммунитета - эволюционно древние, присущие низшим животным. Это - кожные и слизистые барьеры, бактерицидное действие ряда кислот в выделениях потовых и сальных желез, стенок желудка и кишечника, разрушение бактериальных стенок особым ферментом лизоцимом, присутствующим в слезной жидкости, и другие. Проникшие в организм бактерии устраняются фагоцитами и специальными антибактериальными белками, против вирусов действует особый белок интерферон. Кроме того, у высших животных и человека развивается сложная иммунная система, включающая красный костный мозг, вилочковую железу - тимус, селезенку, лимфоузлы, лимфоидную ткань пищеварительных и дыхательных путей (например, в миндалинах - гландах, в аппендиксе). Иммунная система формирует и поддерживает так называемый приобретенный специфический иммунитет.

Центральное место среди клеток иммунной системы занимают лимфоциты. При контакте с чужеродными антигенами, в зависимости от их природы и структуры, иммунная система дает различные формы иммунного ответа: образование В-лимфоцитами и выделение в кровь специфических белков - антител  (гуморальный иммунитет); размножение Т-лимфоцитов, избирательно реагирующих на чужеродные или собственные мутантные клетки (клеточный иммунитет); появление долгоживущих Т- и В-лимфоцитов «иммунологической памяти», которые при повторной встрече с антигенами способны к быстрому и усиленному ответу; формирование иммунологической толерантности (дословно - терпимости), которая выражается в избирательном отсутствии ответа на данный антиген при повторной встрече; возникновение аллергии - повышенной чувствительности к специфическому антигену.

Между прочим, иммунологический конфликт возникает у организма не только с вирусами, бактериями и чужеродными клетками, но также с паразитическими червями (глистами, или гельминтами), пересаженными органами, злокачественными опухолями и даже у беременной матери с ее собственным плодом.

Можно ли чрезвычайно сложные и многообразные защитные механизмы иммунитета свести к простым физико-химическим реакциям, как мы это сделали в отношении биологического движения, транспорта и катализа? Наиболее тонкое распознавание антигенов и максимальную иммунную специфичность обеспечивают антитела - специальные иммунные белки, вырабатываемые лимфоцитами и называемые иммуноглобулинами. В течение эмбрионального развития и после рождения появляется множество лимфоцитов, активированных на выработку определенного вида антител - против соответствующего вида антигенов. В результате еще до встречи с антигеном в организме предсуществуют группы лимфоцитов, запрограммированных синтезировать антитела ко множеству (не менее 10 тысяч!) различных антигенов. Молекулярная структура антител-иммуноглобулинов хорошо изучена. Это гликопротеидные, то есть белковые в основе, но содержащие углеводную надстройку, молекулы. У них имеются вариабельные по аминокислотному составу концевые участки, которые, как и у ферментов, образуют активный центр.

Активный центр антитела представляет своеобразную молекулярную полость особой конфигурации, которая по размерам и структуре соответствует детерминантным (распознаваемым) участкам молекулы антигена. Таким образом, активный центр определяет способность антитела специфически связываться с определенным антигеном. Выполняется принцип молекулярной комплементарности - дополнительности, подобно тому, как ключ комплементарно соответствует своему замку. Множественные аминокислотные замены в вариабельных частях иммуноглобулинов создают неисчерпаемый набор активных центров, способных связывать любой природный или искусственный антиген. Таким образом, в основе иммунной специфичности, в том числе при распознавании вирусов, бактерий и чужих клеток, лежит простое соответствие стереохимической структуры молекул.

Как и в предыдущих примерах с другими функциями белков, в данном случае проявляется вполне материальная сущность сложнейшей реакции, свойственной только живым организмам.